MOTEUR POLYPHASE A ROTOR AIMANTE PRESENTANT N /2 PAIRES DE POLES A SA PERIPHERIE MAGNETIC ROTOR POLYPHASE MOTOR HAVING N / 2 PAIRS OF POLES AT ITS PERIPHERY
Cette invention se rapporte aux moteurs polyphasés à rotor ai¬ manté présentant N/2 paires de pôles à sa périphérie.This invention relates to polyphase motors with a rotor rotor having N / 2 pairs of poles at its periphery.
Il existe différents types de moteurs à rotor aimanté. Dans celui selon la présente invention, les paires de pôles du rotor peuvent être définies par des courbes de magnétisation contenues dans un plan per¬ pendiculaire à l'axe de rotation du rotor, de telle sorte que ce dernier présente N pôles alternativement de noms contraires à sa périphérie.There are different types of magnetic rotor motors. In that according to the present invention, the pairs of poles of the rotor can be defined by magnetization curves contained in a plane per¬ pendicular to the axis of rotation of the rotor, so that the latter has N poles alternately with opposite names on its outskirts.
L'invention vise principalement à créer un moteur polyphasé de rendement élevé, en utilisant des matériaux existants , qui soit fabricable par des procédés industriels et dont le nombre des phases ainsi que la gamme des puissances puissent être très étendus , sans modification de la conception du moteur.The invention mainly aims to create a high-performance polyphase motor, using existing materials, which can be manufactured by industrial processes and the number of phases as well as the range of powers can be very wide, without modifying the design of the engine.
Le domaine d'application du moteur selon la présente invention est donc très vaste. Ce moteur peut être utilisé, en particulier, dans les systèmes d'entraînement pour la bureautique, la robotique , l'industrie aéronautique et spatiale, l'appareillage photographique , les garde-temps . Plus généralement, le moteur selon la présente invention convient à tous les systèmes utilisant la technique digitale, et , -plus particulièrement, à- tous ceux où les critères d'encombrement, de rendement, de puissance et de vitesse sont déterminants.The field of application of the engine according to the present invention is therefore very wide. This engine can be used, in particular, in drive systems for office automation, robotics, the aeronautical and space industry, photographic equipment, timepieces. More generally, the engine according to the present invention is suitable for all systems using the digital technique, and, more particularly, for all those where the criteria of space, efficiency, power and speed are determining.
O PI
L'invention a pour objet un moteur polyphasé qui est caractérisé par la structure définie par la revendication 1 , dont certaines formes spéciales d'exécution sont définies par les revendications 2 et 3.O PI The subject of the invention is a polyphase motor which is characterized by the structure defined by claim 1, certain special embodiments of which are defined by claims 2 and 3.
Une forme d'exécution du moteur selon l'invention et deux varian¬ tes sont représentées schématiquement et à simple titre d'exemple au dessin , dans lequel:An embodiment of the engine according to the invention and two varian¬ yours are shown schematically and simply by way of example in the drawing, in which:
la Fig . 1 est une vue de cette forme d'exécution dans la direction de l'axe de rotation du rotor;Fig. 1 is a view of this embodiment in the direction of the axis of rotation of the rotor;
la Fig . 2 est une vue en perpective éclatée des pièces essentielles de cette forme d'exécution;Fig. 2 is an exploded perspective view of the essential parts of this embodiment;
la Fig . 3 une vue en plan etFig. 3 a plan view and
la Fig . 4 une vue en perpective d'une pièce de la variante etFig. 4 a perspective view of a part of the variant and
les Fig . 5 et 6 des schémas équivalents du moteur, qui illustrent son mode de fonctionnement.Figs. 5 and 6 of the equivalent diagrams of the engine, which illustrate its operating mode.
Le moteur représenté aux Fig . 1 et 2 possède un rotor 1 présen¬ tant un nombre N de pôles égal à huit. Le nombre m de ses phases est égal à deux. En outre, le décalage entre ces deux phases est égal à , soit 22 ,5° . N«mThe motor shown in Figs. 1 and 2 has a rotor 1 with a number N of poles equal to eight. The number m of its phases is equal to two. In addition, the offset between these two phases is equal to, or 22.5 °. N " m
Le rotor 1 est en matériau ferromagnétique tel que le samarium- cobalt dont le champ coercitif est élevé et la masse volumique faible . Il présente quatre paires de pôles à sa périphérie , qui peuvent être défi- nies par des courbes de magnétisation contenues dans un plan perpendi¬ culaire à l'axe de rotation du rotor. Ce dernier présente ainsi à sa pé¬ riphérie huit pôles alternativement de noms contraires , qui sont répartis régulièrement .The rotor 1 is made of ferromagnetic material such as samarium-cobalt, the coercive field of which is high and the density low. It has four pairs of poles at its periphery, which can be defined by magnetization curves contained in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor. The latter thus presents at its periphery eight poles alternately with opposite names, which are distributed regularly.
Le rotor 1 est entouré d'un stator 2 , dont les pôles sont concen¬ triques au rotor. Ce stator comprend un nombre m de phases r, s égal à deux. Chaque phase r, s est composée de deux pièces polaires 3 , 4 , im¬ briquées l'une dans l'autre. Elles sont séparées l'une de l'autre par un entrefer sinueux 5 dans chaque phase. OM
Les pièces polaires 3 , - 4 -sont en matériau ferromagnétique à faible champ coercitif et à induction de saturation élevée . Elles présentent des pôles p^ , p » • • • » q ' The rotor 1 is surrounded by a stator 2, the poles of which are concen¬ tric to the rotor. This stator comprises a number m of phases r, s equal to two. Each phase r, s is composed of two pole pieces 3, 4, im¬ bricated in one another. They are separated from each other by a sinuous air gap 5 in each phase. OM The pole pieces 3, - 4 - are made of ferromagnetic material with a low coercive field and a high saturation induction. They have poles p ^, p »• • •» q '
La Fig . 1 montre que les pôles p-, , p, de la pièce polaire 4 de la phase r , les pôles p? , p . de la pièce polaire 3 de cette même phase r , les pôles p, , p„ de la pièce polaire 4 de la phase s et le pôle p- de la pièce polaire 3 de cette phase s ont chacun la même extension angulaire . Ces différents pôles sont dits entiers , tandis que les pôles Pc et p,, de la pièce polaire 3 de la phase s sont fractionnaires . La somme des exten¬ sions angulaires de ces deux pôles fractionnaires est au moins approxi¬ mativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier.Fig. 1 shows that the poles p-,, p, of the pole piece 4 of phase r, the poles p ? , p. of the pole piece 3 of this same phase r, the poles p,, p „of the pole piece 4 of the phase s and the pole p- of the pole piece 3 of this phase s each have the same angular extension. These different poles are said to be whole, while the poles P c and p ,, of the pole piece 3 of phase s are fractional. The sum of the angular extensions of these two fractional poles is at least approximately equal to the angular extension of an entire pole.
Dans le cas général d'un moteur à m phases et dont le rotor a N pôles , les pôles des pièces polaires de m-1 phases et ceux d'une pièceIn the general case of a motor with m phases and whose rotor has N poles, the poles of the pole pieces of m-1 phases and those of a piece
1 N polaire de la m-ième phase sont entiers ; ils sont au nombre de — — par pièce polaire et sont espacés d'un intervalle angulaire au moins approxi¬ mativement égal au double de celui existant entre les pôles adjacents de la périphérie du rotor . Quant aux pôles de la pièce polaire restante ,' il y1 N polar of the m-th phase are integers; they are the number of - - per pole piece and are spaced by an angular interval at least apprxi¬ matically equal to twice that existing between the adjacent poles of the periphery of the rotor. As for the poles of the remaining pole piece, ' there
I N en a - — - 1 qui sont entiers , tandis que les m pôles restants sont fractionnaires , la somme de leurs extensions angulaires étant au moins approximativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier.I N have a - - - 1 which are integers, while the m remaining poles are fractional, the sum of their angular extensions being at least approximately equal to the angular extension of an entire pole.
Dans la forme d'exécution représentée , les phases r , s sont déca- lées l'une par rapport à l'autre d'un angle a de 22 , 5° . Dans le cas gé¬ néral d'un moteur à m phases et dont le rotor a N pôles à sa périphérie , a = r: . L'extension angulaire de chacun des pôles fractionnaires est γ N «m & ^ au moins approximativement égale à 1 /m fois celle d'un pôle entier.In the embodiment shown, the phases r, s are offset relative to each other by an angle a of 22.5 °. In the general case of a motor with m phases and whose rotor has N poles at its periphery, a = r:. The angular extension of each of the fractional poles is γ N " m & ^ at least approximately equal to 1 / m times that of an entire pole.
Le décalage a peut être rendu différent de j^ — . Dans ce cas , la somme des extensions angulaires des pôles fractionnaires reste au moins approximativement égale à l'extension angulaire d'un pôle entier, mais ces pôles fractionnaires n'ont plus tous la même extension angulaire .The offset a can be made different from j ^ -. In this case, the sum of the angular extensions of the fractional poles remains at least approximately equal to the angular extension of an entire pole, but these fractional poles no longer all have the same angular extension.
Dans la variante représentée aux Fig . 3 et 4 , le rotor la com¬ prend un aimant lb qui présente une aimantation axiale , parallèle à l'axe de rotation du rotor. Pour obtenir le même comportement que dans le cas de la forme d'exécution décrite ci-dessus , un disque ferromagnétique doux le , ld , à pôles saillants le est fixé contre chacune des faces de
l'aimant lb . Grâce à cette, disposition et bien que l'axe de magnétisation du rotor soit parallèle à son axe de rotation , le rotor la présente huit pôles à sa périphérie , qui sont répartis régulièrement et sont alternati¬ vement de noms contraires . Les flux du rotor la sont indiqués par des flèches .In the variant shown in Figs. 3 and 4, the rotor la com¬ takes a magnet lb which has an axial magnetization, parallel to the axis of rotation of the rotor. To obtain the same behavior as in the case of the embodiment described above, a soft ferromagnetic disc le, ld, with salient poles le is fixed against each of the faces of the magnet lb. Thanks to this, arrangement and although the magnetization axis of the rotor is parallel to its axis of rotation, the rotor has eight poles at its periphery, which are distributed regularly and are alternately of opposite names. The fluxes of the rotor la are indicated by arrows.
Les Fig . 5 et 6 illustrent le fonctionnement du moteur. Ce sont des schémas équivalents du moteur. Le décalage des phases r, s est de 22 , 5° .Figs. 5 and 6 illustrate the operation of the engine. These are equivalent diagrams of the engine. The phase shift r, s is 22.5 °.
La Fig . 6 représente l'état du moteur lorsque le rotor s'est dépla¬ cé de 22 , 5° par rapport à celui représenté à la Fig. 5 , soit, dans le cas général, d'un angle α = ——^ — . Les liaisons magnétiques sont représen¬ tées symboliquement par des traits.Fig. 6 shows the state of the motor when the rotor has moved 22.5 ° relative to that shown in FIG. 5, that is, in the general case, of an angle α = —— ^ -. The magnetic links are symbolically represented by lines.
En vue de faciliter la compréhension du fonctionnement du moteur représenté , la manière de créer la caractéristique appelée couple mutuel est exposée en premier lieu. Ce couple mutuel est celui qui provient de l'interaction entre les flux du rotor aimanté et ceux des bobines.In order to facilitate the understanding of the operation of the represented motor, the manner of creating the characteristic called mutual torque is exposed in the first place. This mutual torque is that which comes from the interaction between the fluxes of the magnetic rotor and those of the coils.
Dans la position de la Fig . 5 , des pôles du rotor 1 se trouvent exactement en regard des pôles p, , p2 , p-s et p . de la phase r. Cette figure montre que les flux du rotor dirigés vers le stator sont recueillis par les pôles p, et p, de la pièce polaire 4 , d'où ils sont acheminés vers le noyau 7 de la phase r, qu'ils parcourent de A en B . Ils se referment ensuite en passant par les pôles p2 et p4 de la pièce polaire 3 de la phase r du stator.In the position of FIG. 5, the poles of the rotor 1 are located exactly opposite the poles p,, p 2 , ps and p. of phase r. This figure shows that the fluxes of the rotor directed towards the stator are collected by the poles p, and p, of the pole piece 4, from where they are conveyed to the core 7 of phase r, which they travel from A to B. They then close by passing through the poles p 2 and p 4 of the pole piece 3 of phase r of the stator.
En décalant le rotor à partir de cette position d'un angle α égal à 2τr /N , il est facile de voir que le flux à travers le noyau 7 de la phase r est aussi maximum, mais de sens opposé, c'est-à-dire qu'il parcourt ce noyau de B en A. Il y a donc inversion du flux du rotor dans le noyau 7 de la phase r, chaque fois que le rotor tourne d'un angle égal à 2 N , soit de 45° dans l'exemple représenté .By shifting the rotor from this position by an angle α equal to 2τr / N, it is easy to see that the flux through the core 7 of phase r is also maximum, but in the opposite direction, that is that is to say that it traverses this nucleus from B to A. There is therefore an inversion of the flow of the rotor in the nucleus 7 of phase r, each time that the rotor turns by an angle equal to 2 N, that is ° in the example shown.
Lorsque la bobine de la phase r est alimentée, il en résulte , selon les lois de l'électromécanique, un couple d'interaction entre la bobine et et le rotor aimanté, le couple mutuel, dont la période est égale à 4π /N , et dont les positions d'équilibre correspondent aux positions du rotor
dans lesquelles des pôles de ce dernier sont exactement en regard des pôles des pièces polaires de cette phase r.When the coil of phase r is supplied, this results, according to the laws of electromechanics, an interaction torque between the coil and the magnetized rotor, the mutual torque, whose period is equal to 4π / N, and whose equilibrium positions correspond to the rotor positions in which the poles of the latter are exactly opposite the poles of the pole pieces of this phase r.
En ce qui concerne les pôles p,- , , , p-, , pg et pn de la phase s , entre lesquels se trouvent des pôles du rotor dans la Fig . 5 , il est facile de voir que cette phase s présente également un couple mutuel de pério¬ de 4π/N , mais décalé par rapport au couple mutuel de la phase r d'un angle et = TΠ — » εo^ de 22 ,5° dans l'exemple représenté.With regard to the poles p, -,,, p-,, p g and pn of phase s, between which there are poles of the rotor in FIG. 5, it is easy to see that this phase s also has a mutual torque of perio of 4π / N, but offset from the mutual torque of phase r by an angle and = TΠ - » εo ^ of 22.5 ° in the example shown.
La position du rotor dans laquelle son flux à travers le noyau 7 de la phase s est maximum est celle de la Fig . 6. Les deux pôles frac¬ tionnaires p,- et p- recueillent chacun un flux égal à 1 /m fois le flux re¬ cueilli par un pôle entier, soit 1/2 fois celui d'un pôle entier dans l'e¬ xemple représenté.The position of the rotor in which its flux through the core 7 of phase s is maximum is that of FIG. 6. The two fractional poles p, - and p- each collect a flow equal to 1 / m times the flow collected by an entire pole, or 1/2 times that of an entire pole in the e¬ xample shown.
Les remarques faites ci-dessus à propos d'un décalage entre lesThe remarks made above about a mismatch between
2τr phases différent de v^ — s'appliquent ici aussi.2τr phases different from v ^ - apply here too.
Le comportement du moteur avec les couples mutuels indiqués , lorsque les bobines sont alimentées , est connu et ne sera pas décrit.The behavior of the motor with the indicated mutual torques, when the coils are supplied, is known and will not be described.
Le moteur représenté, biphasé et avec un rotor à 8 pôles péri¬ phériques n'est évidemment pas la seule forme d'exécution possible du moteur selon l'invention. Il suffit que le nombre N de pôles du rotor etThe motor shown, two-phase and with a rotor with 8 peripheral poles is obviously not the only possible embodiment of the motor according to the invention. It suffices that the number N of rotor poles and
N celui m des p rhases satisfassent la relation : m = •- 2 —»n où n est un nombre entier. Le tableau de la page suivante indique des configurations possi¬ bles du moteur selon l'invention.
N that m of the p r hases satisfy the relation: m = • - 2 - » n where n is an integer. The table on the following page indicates possible configurations of the engine according to the invention.
A propos du rendement du moteur selon l'invention et sans entrer dans les détails de la théorie, l'homme du métier constatera qu'il est éle¬ vé .Regarding the efficiency of the engine according to the invention and without going into the details of the theory, the skilled person will note that it is elevated.
Tout d'abord, les flux de toutes les paires de pôles du rotor sont acheminés dans le même sens à travers chaque noyau des bobines , cela grâce à l'enchevêtrement décrit des pièces polaires 3 , 4 et à la disposi¬ tion des pôles entiers et fractionnaires. Il n'existe en effet aucune paire de pôles du rotor dont le flux soit perdu, en ce sens qu'il ne se refer¬ merait pas par les noyaux et ne participerait pas de façon additive au flux mutuel.First of all, the fluxes of all the pairs of rotor poles are conveyed in the same direction through each core of the coils, this thanks to the described entanglement of the pole pieces 3, 4 and to the arrangement of the whole poles. and fractional. There is in fact no pair of rotor poles whose flux is lost, in the sense that it would not return to the nuclei and would not additively participate in the mutual flux.
-fxTîÊ
De plus, dans le cas où le moteur es appelé à fonctionner pas.-à, pas , le fait que le rotor soit plein , en ce sens qu'il n'existe pas d'inter¬ valle angulaire entre les pôles du rotor qui ne soit égal à 2ττ/N , optimi¬ se , du point de vue du rendement , la relation entre le flux total des paires de pôles du rotor et l'inertie de ce dernier. Cela provient du fait que le rendement est une fonction croissante du flux et décroissante de l'inertie, mais que la puissance à laquelle cette fonction croît avec le' flux est plus grande que celle à laquelle elle décroît avec l'inertie.-fxTî Ê In addition, in the case where the motor is called to operate step by step, the fact that the rotor is full, in the sense that there is no angular gap between the poles of the rotor which is not equal to 2ττ / N, optimi¬ se, from the point of view of the yield, the relation between the total flux of the pairs of poles of the rotor and the inertia of this last. This is due to the fact that efficiency is an increasing function of flux and decreasing of inertia, but that the power at which this function increases with flux is greater than that at which it decreases with inertia.
Le nombre des phases du moteur selon l'invention peut être très étendu sans modifier la conception du moteur, puisqu'il suffit que la re- lation m = -* N ώ — * n soit satisfaite pour n entier. Autrement dit, il suffit d'augmenter le nombre N de pôles du rotor pour augmenter le nombre m de phases .The number of motor phases according to the invention can be very large without modifying the design of the motor, since it suffices that the relation m = - * N ώ - * n is satisfied for n integer. In other words, it suffices to increase the number N of rotor poles to increase the number m of phases.
Le moteur selon l'invention a aussi l'avantage d'offrir une gamme de puissances très étendue, sans avoir à modifier la conception du mo¬ teur . Sans entrer dans les détails de la théorie , il est, en effet, intuitif de remarquer que la puissance mécanique d'un moteur de ce type est une fonction croissante du nombre de paires de pôles du rotor.
The engine according to the invention also has the advantage of offering a very wide range of powers, without having to modify the design of the engine. Without going into the details of the theory, it is indeed intuitive to notice that the mechanical power of a motor of this type is an increasing function of the number of pairs of rotor poles.